[摘要]對綜自變電站二次設備防雷進行了分析，重點探討了雷電浪涌對綜自變電站中二次設備的危害及防雷措施，并根據各種雷電危害，提出防范措施。
　　[關鍵詞]雷電，弱電設備，防雷，保護，措施
　　1概況
　　雷擊是一種自然現象，它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。在諸多自然災害中雷電災害是普遍存在的。云南電網公司2007年四季度暨年度安全分析報告顯示，在引發電網事故的四大主要因素中，雷害首當其沖。2003年至2007年5年間，雷害直接引發云南電網故障26起，占電網故障比例為22%，5年來每年近30%的故障為雷害引發。
　　由于近些年電子技術的飛速發展，電子設備在電力系統中得到了極大的普及和應用。由于現代高新技術電子產品中大量采用了大規模及超大規模的電子集成電路制造技術，且集成的程度越來越高，內部的線間距離越來越小，使元器件的耐壓程度越來越低，稍稍受到過電壓的侵襲后即損壞，更經受不起雷電及過電壓的強烈沖擊；另一方面，當今電子設備、計算機自動化系統的網絡化程度越來越高，如供電系統、通訊系統、視頻、信號、計算機網絡系統等，它們的傳輸線路，特別是暴露在室外的長距離輸送線以及動力電源線路等，都有可能遭受雷擊，產生雷擊過電壓，通過以上傳輸線侵入并擊毀設備。
　　2二次設備雷電危害的主要原因分析
　　綜自變電站二次自動化設備受雷擊損壞的原因不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發生時在電源和通訊線路中感應的電流浪涌引起的。
　　雷電浪涌入侵的主要是通道有，1）電源線引入雷電電磁脈沖引起瞬態過電壓，如果不經處理，直接進入電源系統，將引起二次設備電源損壞。2）通信線引入雷電引起的感應過電壓使通信線與設備之間有一定的電位差直接作用于串行通信口，會損壞微型計算機和通信設備的串行口，嚴重時會損壞微型計算機。3）直接與一次設備相連的二次連接電纜，由于雷電電磁脈沖引起的感應過電壓直接作用于前端的中心處理計算機，輕則把功能板元件燒毀，重則燒毀整臺計算機。4）當有雷電電磁脈沖引起接地點之間電位差，產生的電磁場干擾會影響前端的中心處理計算機的運行，損壞前端的中心處理計算機的模板。5）同時，接地電阻不合格，雷電引起的地電位升高，亦會通過設備的接地線引入前端的中心處理計算機中，同時會損壞前端的中心處理計算機的插件。
　　3變電站內部雷電防護的原則
　　有了變電站外部的防雷措施，可以防止變電站遭受直擊雷的侵害，根據IEC1024和GB50057-94（2000年版）的規定及要求，現階段的防雷措施已不能只停留在架設避雷針等的簡單措施上了。現今電力系統內高科技電子技術的應用，特別是變電站綜合自動化系統、微機保護測控裝置的應用，使變電站內部防雷、防雷擊電磁脈沖和電涌過電壓防護迫在眉捷。
　　3.1防雷區的劃分
　　建筑物內部因雷擊電磁干擾大小的不同，采用的避雷器（SPD）也不同，按照IEC1312—1和國標GB50057-94（2000年版）要求，應將需要保護的空間劃分為不同的防雷區（LPZ），以確定各部分空間不同的LEMP（雷閃電磁脈沖）的嚴重程度和選擇相應的防雷器（SPD）。
　　各區以其交界處的電磁環境有明顯改變作為劃分不同防雷區的特征。國標GB50057-94（2000年版）6.2.1規定的防雷區劃分一般原則詳見圖2—1
　　
　　
　　
　　（1）防直擊雷區LPZOA
　　（2）防間接雷區LPZOB
　　（3）防LEMP（雷閃電磁脈沖）沖擊區LPZ1
　　3.2絕緣配合
　　為了減少電磁干擾的感應效應，宜在建筑物和房間的外部設屏蔽措施，選擇合適的路徑敷設線路或線路屏蔽。而建筑物內屏蔽、接地、和等電位連接等措施GB50057-94（2000年版）的第6.3.1、6.3.2、6.3.3、都作了具體的規定。
　　但對電源系統保護選擇的避雷器(SPD)不僅必須能承受預期通過它們的雷電流，和有能力熄滅在雷電流通過后產生的工頻續流，還要考慮通過電涌電流時的最大鉗壓與所安裝處設備的絕緣等級的配合(GB50057-94（2000年版）第6.4.4條)，各種設備的絕緣情況如下表：
　　表3-1230/400V三相系統各種設備耐沖擊過電壓額定值
　　設備的位置 電源處的設備 配電線路和最后分支線路的設備 用電設備 特殊需要保護的設備
　　耐沖擊過
　　電壓類別 Ⅳ類 Ⅲ類 Ⅱ類 Ⅰ類
　　耐沖擊電壓額定值（kV） 6 4 2.5 1.5
　　下圖也體現了絕緣配合要求與電涌保護器(SPD)安裝點的關系。
　　
　　3.3避雷器的選用原則
　　在LPZ0A區與LPZ1區的界面處做等電位連接用的接線夾和電涌保護器，根據IEG1312-1和國標GB50057-94（2000年版）6.3.4要求：應采用表1-2（即：GB50057-94（2000年版）附錄六的附表6.1～附表6.3）的雷電流參量估算通過它們的分流值。在不可能個別估算時可按以下方法確定：可假定全部雷電流I的50％流入所考慮建筑物的接地位置，I的另50％分配于進入建筑物的各種設施（外來導電物、電力線和通信線等），流入每一設施的電流I等于I/n，n為上述設施的個數（詳細可參見GB50057-94（2000年版）6.3.4）。
　　在需要保護的二次設備系統中，所安裝的避雷器(SPD)的數量取決于防雷區的劃分和被保護設備的易損性。當采用多于一套避雷器(SPD)去保護設備時，就需研究這些SPD之間的以及與被保護設備的配合問題，配合的一般目的是借助于諸避雷器(SPD)，將總威脅值減到被保護設備的耐受能力以下。各個避雷器(SPD)分擔的雷電浪涌不應超過其額定值，根據供電線路的不同，避雷器(SPD)的保護模式稍有差別：
　　1、SPD的保護模式：SPD可連接在L（相線）、N（中性線）、PE（地線）間。
　　2、最大連續工作電壓UC：指能持續加在避雷器(SPD)各種保護模式間的電壓有效值（直流和交流）。UC不應低于低壓線路中可能出現的最大連續工頻電壓。選擇230/400V三相系統中的避雷器(SPD)時，其接線端的最大連續工作電壓Uc不應小于下列規定：
　　TT系統中Uc≥1.5Uo；
　　TN、TT系統中Uc≥1.1Uo；
　　IT系統中Uc≥Uo；
　　注1：在TT系統中Uc≥1.1Uo是指避雷器(SPD)安裝在漏電保護器的電源側；Uc≥1.5Uo是指避雷器(SPD)安裝在漏電保護器的負荷側。
　　注2：Uo是低壓系統相線對中性線的電壓，在230/400V三相系統中Uo=230V。
　　對以MOV（壓敏電阻）為主的箝壓型避雷器(SPD)而言，當外部電壓小于UC時，MOV呈現高阻值狀態。如果避雷器(SPD)因電涌而動作，在泄放規定波形的電涌后，避雷器(SPD)在UC電壓以下時應能切斷來自電網的工頻對地短路電流（后續電流）。這一特性在IEC標準中稱為可自復性。前面提到的UC≥1.5Uo、UC≥1.1Uo、Uc≥Uo等標準引自IEC60364-5-534，從我國供電系統實際出發，此值應增大一些，有專家認為原因是國外配電變電所接地電阻規定為1-2Ω，而我國規定為4-10Ω，因而在發生低壓相線接地故障時另兩相對地電壓常偏大且由于長時間過流很易燒毀避雷器(SPD)。但SPD的UC值定的偏大又會因產生殘壓較高而影響避雷器(SPD)的防護效果。也有些專家認為，雖然變電所接地電阻較大，但在輸電線路中實現了多次接地，多次接地的并聯電阻要低于變電所的接地電阻值，因此UC≥1.1UO即可滿足要求。
　　4二次設備防雷措施
　　變電站遭受的雷擊是下行雷，主要來自兩個方面：一是雷直擊在變電站的電氣設備上；二是架空線路的感應雷過電壓和直擊雷過電壓形成的雷電波沿線路侵入變電站。因此，直擊雷和雷電波對變電站進線及變壓器的破壞的防護十分重要。
　　對于直擊雷主要是采用避雷針、避雷器、避雷線和避雷網作為接閃器，然后通過良好的接地裝置迅速而安全的把雷電流引入大地。
　　對于感應雷則需要從整體和系統建立起三維的防護體系，主要包括以下幾個方面。
　　1）電源的防護。因綜合自動化保護測控裝置的電源均取自變電站內10kV/380V所內變壓器，且經驗證明變電站內60%的累積事故均為電源系統防雷措施不完善造成的，故對綜合自動化裝置的防雷，電源系統防護應放于首位。參照相關的要求，將變電站綜合自動化系統的低壓配電系統中采用3～4級電涌保護器進行保護。
　　1級電源保護：在10kV/380V所內變壓器低壓側安裝大容量三相電源電涌保護器。
　　2級電源保護：分配電柜線路輸出端的電源安裝三相電源型電涌保護器。
　　3級電源保護：電子信息設備交流電源進線端安裝三相電源型電涌保護器。
　　4級電源保護：由于自動監控系統的控制電源及采集機構的需要，必須將交流電轉換成直流電，因此直流電源的安全穩定是控制及采集機構安全穩定的基礎，為防止雷電電磁脈沖對直流電源造成損害，我們在整流電源側以及各控制裝置及采集機構前加安裝電源型電涌保護器，進而從根本上解決雷擊對直流系統的損害。
　　通過逐級的防護，可以將雷電流最大限度的控制在自動化裝置允許的耐受范圍之內，以確保設備穩定運行。
　　2）通信系統的防護。變電站二次自動化設備中包括很多網絡設備如網卡，調制解調器等。這些設備通過網線和電話線同局域網和廣域網相連。所以應該在其通信線路兩端加裝信號電涌保護器，包括保護電話線的音頻電涌保護器和保護網絡連接設備，以及在通信設備電源處加設電涌保護器。并針對雷電電磁脈沖產生的地電位反擊而安裝等電位連接器，這樣能夠針對變電站中的網絡傳輸系統就有了一個比較全面的保護。
　　3）信號采集及控制線路的防護。在監控系統中，不可避免的要有采樣信號和控制信號的傳遞，在變電站二次自動化設備中也是如此，在現有的使用二次自動化設備的變電站中絕大多數是使用串口進行信號傳輸的，同時通過并口連接打印設備。這就需要我們就計算機的串口和并口兩種信號傳遞端口進行保護。在信號采集和控制的執行機構前增加控制信號電涌保護器，并且針對雷電電磁脈沖產生的地電位反擊而安裝等電位連接器，這樣能夠比較完善的保護信號采集及控制線路。
　　4）計量及保護系統的防護。在二次自動化設備中，信號顯示、功率計算、異常監測和線路保護的判斷依據都是由變電站的電流互感器和電壓互感器采樣進入的，雷電電磁脈沖很容易從這兩種設備侵入二次自動化監控系統造成對電子設備的損壞，甚至造成系統的癱瘓，所以對電流互感器和電壓互感器后端的電子設備的保護是至關重要的。為了提高防護質量，應該同電源防護一樣進行分級防護，一級防護：在電流互感器或電壓互感器的低壓側安裝電流、電壓互感器型電涌保護器；二級防護：在電流互感器或電壓互感器線路進入控制配電柜處安裝電流、電壓互感器型電涌保護器。如此，經過雙層保護，使從互感器竄入的雷電流基本能夠控制在線路能夠承受的額度之內，從而保證了整個系統的正常運行。
　　5）溫度檢測系統的防護。對于變電站來說，變壓器是整個系統的核心，所有的監視設備和保護設備都是為了使之正常、穩定的運行而設立的，檢測變壓器異常的最直接方法就是檢測變壓器的溫度，因此，很多的變電站二次綜合自動化系統都加入了變壓器溫度檢測的部分。其原理是利用溫度傳感器和溫度控制器組成溫度檢測回路，并將溫度傳感器置于變壓器上，當變壓器溫度過高時，由溫度控制器、降溫風扇和警鈴組成的報警降溫回路接通，對變壓器進行降溫，同時報警。
　　當發生雷擊時，會在溫度檢測和報警回路中產生極高的感應電壓，燒毀回路中設備。為了保護溫度檢測和報警回路，應該在溫度傳感器和溫度控制器處安裝電涌保護器，對溫度傳感器和溫度控制器進行保護，保證變壓器的正常運行。
　　5變電站二次設備防雷保護配置
　　5.1站用交流電源屏的防雷保護配置
　　如上圖所示，站用交流電源屏其兩進線都分別配置B級防雷保護器，而交流配電每一回輸出都分別配置C級或D級防雷器。
　　5.2站用直流電源屏的防雷保護配置
　　站用直流電源屏其兩進線都分別配置C級防雷保護器，而直流配電控制母線和合閘母線以及直流屏與綜合自動化系統的通訊接口都分別配置C級或D級防雷器。
　　5.3通訊接口的防雷保護配置
　　衛星通信天饋線信號防雷保護（BNC接口）的防雷器可選擇C-UB/E型防雷器。
　　綜合自動化系統網絡CAN總線信號防雷保護的防雷器可選擇PT3-HF-12DC-ST型防雷器。
　　綜合自動化系統網絡LonWorks總線信號防雷保護的防雷器可選擇PT3-HF-12DC-ST型防雷器。
　　綜合自動化系統網絡以太網總線信號防雷保護的防雷器可選擇D-LAN-A/RJ45-BS型防雷器。
　　RS485信號線路防雷保護的防雷器可選擇PT5-HF-12DC-ST型防雷器。
　　程控電話線防雷保護的防雷器可選擇D-FM-A/RJ45-BB型防雷器。
　　5.4信號采集及控制線路的防雷保護配置
　　各電壓等級的母線PT二次側防雷保護的防雷器可選擇VAL-MS60ST型防雷器。
　　各電壓等級的線路PT二次側防雷保護的防雷器可選擇VAL-MS120ST型防雷器。
　　6結論
　　綜自變電站二次設備的防雷問題是一個綜合性的工作，尤其是二次設備的雷電浪涌防護還重視不夠，也常常由其而引起設備的損壞，所以在完善二次電設備外部防護的同時，要加強二次電設備的內部防護，建議加強以下幾方面的工作；
　　(1) 首先要完善弱電外部雷電防護，將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄散。
　　(2) 其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。
　　(3) 第三限制鉗位被保護設備上浪涌過壓過流幅值在設備可承受的范圍。
　　這三道防線，相互配合，各行其責，缺一不可。